Efecto del tratamiento criogénico en la resistencia al impacto y la microestructura de un acero A 572

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(1)EFECTO DEL TRATAMIENTO CRIOGENICO EN LA RESISTENCIA AL IMPACTO Y LA MICROESTRUCTURA DE UN ACERO A572. DILAN ESTIDT LOAIZA TAPIERO FREDDY ALEJANDRO RUIZ MURILLO. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA – D.C. 2017 1.

(2) EFECTO DEL TRATAMIENTO CRIOGENICO EN LA RESISTENCIA AL IMPACTO Y LA MICROESTRUCTURA DE UN ACERO A572. DILAN ESTIDT LOAIZA TAPIERO FREDDY ALEJANDRO RUIZ MURILLO Trabajo de grado para optar por al título de INGENIEROS MECÁNICOS. Msc. Ing CARLOS ARTURO BOHÓRQUEZ ÁVILA DIRECTOR PROYECTO. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA - COLOMBIA 2017 2.

(3) CONTENIDO. 1. RESUMEN ................................................................................................................. 8 2. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 9 3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...................................................................... 10 4. ESTADO DEL ARTE................................................................................................ 11 5. JUSTIFICACIÓN ...................................................................................................... 15 6. OBJETIVOS............................................................................................................. 16 6.1 Objetivo general .................................................................................................... 16 6.2 Objetivos específicos ............................................................................................ 16 7. MARCO TEORICO .................................................................................................. 17 7.1 ACEROS ............................................................................................................... 17 7.1.1 COMPONENTES DE LOS ACEROS -DIAGRAMA DE FASE HIERROCARBONO............................................................................................................... 17 7.1.1.1 Ferrita .......................................................................................................... 17 7.1.1.2 Cementita .................................................................................................... 18 7.1.1.3 Perlita ........................................................................................................... 18 7.1.1.4 Austenita ...................................................................................................... 19 7.1.1.5 Martensita .................................................................................................... 19 7.2 ACERO A-572: ...................................................................................................... 19 7.3 INFLUENCIA DEL MANGANESO EN LOS ACEROS .......................................... 20 7.4 TRATAMIENTOS TÉRMICOS: ............................................................................. 21 7.4.1 Criogenia ........................................................................................................ 22 7.4.2 Temple ............................................................................................................ 24 7.4.3 Revenido ......................................................................................................... 26 7.5 DUREZA ............................................................................................................... 27 7.5.1 Método Rockwell:............................................................................................ 27 7.5.2 Metodo Vickers ............................................................................................... 28 7.5.3 Microdureza .................................................................................................... 28 7.6 RESISTENCIA AL IMPACTO ............................................................................... 29 3.

(4) 7.6.1 Ensayo Charpy ............................................................................................... 29 7.7 ANALISIS METALOGRAFICO .............................................................................. 31 7.8 MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO (MEB/SEM) .............................. 32 8. METODOLOGIA ...................................................................................................... 34 8.1 Diseño experimental ............................................................................................. 35 8.2 Selección y compra del material ........................................................................... 36 8.3 Espectrometría y determinación de la composición química. ............................... 37 8.4 Fabricación de probetas de ensayo de impacto .................................................... 38 8.5 Determinación de Temperaturas Intercríticas de temple ....................................... 39 8.6 Determinación de temperatura de revenido. ......................................................... 40 8.7 Tratamiento térmico Temple ................................................................................. 43 8.8 Tratamiento de Criogenia ...................................................................................... 44 8.9 Tratamiento de Revenido ...................................................................................... 46 8.10 Ensayo de impacto Charpy ................................................................................. 46 8.11 Ensayo de Dureza............................................................................................... 47 8.12 Preparación metalográfica de las probetas ......................................................... 47 8.13 Microscopio electrónico de barrido...................................................................... 49 8.14 Ensayo de microdureza ...................................................................................... 51 8.15 Estereoscopia de fractura ................................................................................... 51 9. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ..................................................... 52 9.1 Ensayo de impacto Charpy ................................................................................... 52 9.2 Dureza .................................................................................................................. 55 9.3 Microscopia electrónica de barrido........................................................................ 59 9.4 Microdureza .......................................................................................................... 62 9.5 Fractografía. .......................................................................................................... 63 9.6 Análisis de resultados y Discusión ........................................................................ 65 10.. CONCLUSIONES. ................................................................................................ 68. 11.. RECOMENDACIONES ........................................................................................ 69. 12.. BIBLIOGRAFÍA..................................................................................................... 70. 4.

(5) Lista de Tablas. Tabla 1 Composicion química del acero ASTM A-572 ................................................... 20 Tabla 2 Propiedades Mecánicas del Acero A572 ........................................................... 20 Tabla 3 Definición de la secuencia de tratamientos térmicos y la cantidad de probetas a ser tratadas. ................................................................................................................... 35 Tabla 4 Composición Quimica del Acero A572 Examinado con espectrometría de masas U.N. ................................................................................................................................ 37 Tabla 5 Resultados de ensayo de impacto Charpy para las 20 probetas según su tratamiento térmico......................................................................................................... 52 Tabla 6 Promedio de energía absorbida por las probetas según su secuencia de tratamientos.................................................................................................................... 53 Tabla 7 Promedio de durezas superficiales de las probetas. ......................................... 55 Tabla 8 Promedio ponderado de dureza de las probetas ............................................... 56 Tabla 9 Probetas seleccionadas para la preparación metalográfica y micrografías. ...... 57 Tabla 10 Micrografias obtenidas por SEM...................................................................... 61 Tabla 11 Promedio de microdurezas .............................................................................. 62 Tabla 12 Comparativo entre modos de fractura de probetas de impacto Charpy según su tratamiento térmico......................................................................................................... 64. 5.

(6) Lista de figuras Figura 1 Diagrama de Hierro-Carbono Metastable......................................................... 18 Figura 2 Recipiente de nitrógeno líquido utilizado para tratamientos criogénicos. ......... 23 Figura 3. Ciclo termico del temple. ................................................................................. 25 Figura 4 Ciclo Térmico del temple-revenido ................................................................... 26 Figura 5 Identador de dureza Vickers. ........................................................................... 28 Figura 6 Ensayo Charpy ................................................................................................. 30 Figura 7 Diferencia entre área bajo la curva de un material frágil (A) y un material dúctil (B) .................................................................................................................................. 31 Figura 8 Interaccion de los electrones con las muestras solidas.................................... 32 Figura 9 Microscopio Electronico de Barrido .................................................................. 33 Figura 10 Paso a paso de la metodología de investigación del proyecto. ...................... 34 Figura 11 Secuencia de tratamientos térmicos diseñados para el presente proyecto .... 36 Figura 12 Placa de acero A 572 ..................................................................................... 37 Figura 13 Resultados de espectrometría del material A572 ........................................... 38 Figura 14 Dimensiones de la probeta para el ensayo Charpy de impacto. .................... 38 Figura 15 Probeta de impacto Charpy mecanizada. ...................................................... 39 Figura 16 Muesca de la probeta vista en el estereoscopio. ........................................... 39 Figura 17 Esquema de tratamiento térmico de las probetas tratadas a temple ............. 41 Figura 18 Secuencia de tratamientos térmicos temple-revenido (4 probetas) ............... 42 Figura 19 Secuencia de tratamientos térmicos para las probetas de acero A572 con temple-criogenia y revenido (4 probetas a criogenia de 12 horas y 4 probetas a criogenia de 24 horas) s ................................................................................................................ 42 Figura 20 Mufla de tratamientos Labtech/lef-p type. ...................................................... 43 Figura 21 Recipiente de agua para el templado con las probetas enfriándose .............. 43 Figura 22 Probetas templadas antes el tratamiento criogénico ...................................... 44 Figura 23 Recipiente de almacenamiento de nitrógeno líquido, donde se realizó el tratamiento criogénico .................................................................................................... 44 Figura 24, Canastillas cilíndricas donde reposan las probetas....................................... 45 Figura 25 Emanación de vapor de nitrógeno líquido producto del choque térmico entre el mismo y las probetas. .................................................................................................... 45 Figura 26 Maquina de ensayo de impacto Charpy marca SATEC ................................. 46 Figura 27 Durometro GNEHM SWISS ROCK ................................................................ 47 Figura 28 Cortadora Metkon / Prensa de montaje Mentkom Ecopress 50.. ................... 48 Figura 29 Probetas encapsuladas .................................................................................. 48 Figura 30 Sistema de esmerilado y pulido Metkon Forcipol 2V. ..................................... 49 Figura 31 Cámara de vacío del microscopio electrónico de barrido. .............................. 49 Figura 32 Probetas llevadas a la plaqueta del microscopio............................................ 50 Figura 33. Estudio de las probetas en el microscopio electrónico de barrido ................. 50 6.

(7) Figura 34 Energía absorbida por probetas de Acero A572 según su secuencia de tratamiento térmico......................................................................................................... 53 Figura 35 Forma de falla de las probetas de acero A572 después del impacto. ............ 54 Figura 36 Comparacion grafica datos de durezas obtenidos de las probetas (HV) ........ 56 Figura 37 Comparación grafica del promedio de durezas de las probetas según su secuencia de tratamientos térmicos ............................................................................... 57 Figura 38 Comparación grafica de datos Dureza vs Energía Absorbida para cada una de las probetas ensayadas ................................................................................................. 58. 7.

(8) 1. RESUMEN En este documento se presentan los resultados de un estudio experimental realizado a unas probetas de acero A 572, con el cual se buscó establecer la influencia de los tratamientos térmicos de temple – criogenia y revenido sobre la resistencia al impacto y la microestructura del material. Se estableció la secuencia de tratamientos de este modo: se trataron 4 probetas a temple a 770ºC, 4 probetas a temple - criogenia a 12 horas de exposición y revenido a 400ºC, 4 probetas a temple – criogenia a 24 horas de exposición y revenido y 4 probetas sin tratamiento. Los resultados indican que la dureza del material tratado criogénicamente a 24 horas aumenta ligeramente con respecto a la probeta tratada criogénicamente a 12 horas y el material sin tratar, sin embargo, no se observó variación de los resultados de energía absorbida por el material con tratamiento criogénico a comparación del material sin tratar, puesto que en la microestructura del material, los granos de martensita revenida se refinan y aparecen precipitados de manganeso, sin embargo, esto no influye en la variación de las propiedades mecánicas del material, exceptuando en la dureza. Palabras clave: Tratamiento térmico, criogenia, Resistencia al impacto, dureza, martensita ABSTRACT This paper presents the results of an experimental study carried out on A 572 steel specimens, which sought to establish the influence of the quenching- cryogenics and tempering thermal treatments on the impact resistance and microstructure of the material. The sequence of treatments was established in this way: 4 specimens were treated in a quenching at 770ºC, 4 specimens in a quenching - cryogenics at 12 hours exposure and tempered at 400ºC, 4 specimens at a quenching - cryogenic at 24 hours exposure and tempering and 4 specimens without treatment. The results indicate that the hardness of the cryogenically treated material at 24 hours increases slightly with respect to the cryogenically treated probe at 12 hours and the untreated material, however, no change in the results of energy absorbed by the material with cryogenic treatment was observed compared the untreated material, because the microstructure of the material, in the tempered martensite grains is further refined and manganese precipitate appears, however, it does not influence the variation of the mechanical properties of the material, except in the hardness. Keywords: Heat treatment, cryogenic, impact strength, hardness, martensite 8.

(9) 2. INTRODUCCIÓN El estudio de materiales es un proceso que influye bastante en el desarrollo de proyectos de ingeniería, el cual busca hacer una análisis cuantitativo y cualitativo de los cambios que se producen en los materiales cuando se someten a alguna operación que modifique su comportamiento. Mediante diversos análisis, se puede detectar variaciones en las propiedades mecánicas, fallas dadas por algunas imperfecciones superficiales o en microestructura, entre otros procesos, que se pueden encontrar en cualquier elemento o pieza, ya sea en el momento de fabricación o en el de operación. Por lo que, el estudio de los materiales en distintas condiciones de funcionamiento tiene gran importancia, puesto que permite predecir el comportamiento del material y así favorecer y ayudar a los ingenieros, científicos y diseñadores a realizar un diseño apropiado para sus máquinas, a agilizar procesos de mantenimiento, predicción de fallas, etc. En el estudio de la metalografía, se busca incansablemente conocer cómo se comporta un metal bajo todas las condiciones posibles que se puedan encontrar en cualquier maquina o estructura, sobre todo en los aceros, ya que su uso extendido en casi todos los campos de la ingeniería hace menester determinar el comportamiento de este metal en todas las condiciones posibles. Sin embargo, es poco conocido aun el efecto que producen los tratamientos térmicos criogénicos sobre los aceros; aunque se ha avanzado científicamente en la materia, todavía está en etapa de consolidación la tecnología de la criogenización, y existen distintos grupos de estudio, científicos e investigadores que en este momento están profundizando la investigación del comportamiento de los metales cuando se someten a condiciones de baja temperatura, para saber que usos potenciales tiene esta tecnología y como se puede desarrollar y aprovechar en un futuro no muy lejano. Particularmente, en los aceros de bajo carbono y alto contenido de manganeso existe poca información relativa al comportamiento de este metal cuando se somete a bajas temperaturas, se sabe poco de la influencia sobre las propiedades mecánicas de este tratamiento y no existe mucha literatura que trate sobre el tema, por lo que surge la necesidad de conocer que sucede en las distintas propiedades mecánicas cuando el acero de alto manganeso se somete a temperaturas de criogenización. En este caso, se trata de determinar el comportamiento del material tratado criogénicamente cuando se somete a impactos, puesto que la determinación de esta propiedad permitirá conocer y desarrollar la tecnología de criogenización y hasta incluso potencializar el uso de dicha tecnología si demuestra mejoramiento sustancial de la propiedad con respecto a otros tipos de tratamientos térmicos. Por ello, se desarrolló el presente proyecto con la premisa de determinar el cambio de la propiedad bajo la actuación de distintos tratamientos térmicos. 9.

(10) 3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El estudio de las propiedades y usos del acero de alto manganeso sigue en investigación. El acero A572 es un acero que tiene propiedades buenas de ductilidad; se usa mucho en la construcción de estructuras de puentes, equipos navales, plataformas de ingeniería, estructuras, herramientas. Sin embargo, la tecnología de la criogenización está irrumpiendo en la ciencia de los tratamientos térmicos, puesto que es una tecnología que tiene varios usos potenciales y en investigaciones sobre materiales criogenizados demuestran que los metales tratados criogénicamente mejoran propiedades mecánicas, debido a la reorganización de la estructura y a la generación de precipitados cuando el material se somete a temperaturas criogénicas. Sin embargo, el estudio de este tratamiento sobre las propiedades de muchos materiales, sobre todo en aceros, todavía no se ha desarrollado extensamente, por lo que hay un gran campo de posibilidades en investigación y desarrollo en esta área de los tratamientos térmicos. La aplicación de este tipo de tratamiento en un acero de limitadas prestaciones como el acero A572, podría dar lugar a nuevos usos de dicho material en otras aplicaciones o mejorar las características en los usos que se le da actualmente al producto. Por lo que el presente estudio tratará de determinar si el tratamiento criogénico afecta sustancialmente las propiedades mecánicas de este acero, centrándose en el estudio de una propiedad particular como lo es la resistencia al impacto del material, comparando resultados con las propiedades del mismo tipo de acero cuando se realiza el proceso de tratamiento térmico por templado y revenido, y corroborando también por medio del análisis microestructural la relación del estado de la microestructura del acero con los resultados obtenidos del ensayo Charpy de impacto. Para su uso como referencia en diseños o aplicaciones futuras de este material en el área de la criogenia.. 10.

(11) 4. ESTADO DEL ARTE EFECTO DEL TRATAMIENTO CRIOGÉNICO PROFUNDO SOBRE LA RELACIÓN ESTRUCTURA-PROPIEDAD EN UN ACERO DE BANDA MULTIFÁSICO DE BAINITA / MARTENSITA MN-SI-CR DE RESISTENCIA ULTRA ALTA K. Wang , Z. Tan, K. Gu, B. Gao, G. Gao, R.D.K. Misra , B. Bai Se realizó un estudio investigativo con el fin de determinar qué efecto tiene el tratamiento criogénico profundo aplicado a un acero multifase de bainita-martensita, para determinar cuál es la relación del tratamiento con la estructura y las propiedades mecánicas de dicho acero. Se encontró que el tratamiento mejora considerablemente la resistencia al desgaste y las propiedades mecánicas como la elongación, el alargamiento y dureza. Esto es gracias a que se reorganiza la martensita, se libera la fase austenítica y se reorganiza el carbono en el proceso de revenido del material. Además de que con la generación de carburos precipitados se mejora la resistencia al desgaste del material. [1] EFECTO DEL AMBIENTE DE ENFRIAMIENTO RÁPIDO Y TRATAMIENTO CRIOGÉNICO EN EL COMPORTAMIENTO DE DESGASTE DEL AZ91 Kamran Amini, Amin Akhbarizadeh, Sirus Javadpour [2] En este estudio, se investigó el efecto del tratamiento térmico criogénico profundo y diferentes ambientes de temple en la aleación de magnesio a través del microscopio óptico y microscopio electrónico de barrido (SEM); la evaluación de la dureza y prueba de desgaste del AZ91. Para este propósito, las muestras se calentaron a 420º C durante 24 h seguido de enfriamiento en diferentes ambientes de agua, aire y nitrógeno líquido. Después de que las muestras fueron tratadas criogénicamente en nitrógeno líquido, siguió el envejecimiento. Los resultados muestran que el tratamiento térmico criogénico profundo mejora la dureza y la resistencia al desgaste. Este comportamiento es una consecuencia de los átomos de aluminio que saltan a los defectos cercanos, incluyendo dislocaciones. Además, se comprobó que el aumento de la velocidad de enfriamiento del recipiente mejora la dureza después del envejecimiento y que el mecanismo de desgaste predominante es abrasivo. [2]. 11.

(12) TRATAMIENTO CRIOGÉNICO PROFUNDO DE ACEROS PARA HERRAMIENTAS B. Podgornik, I. Paulin, B. Zajec, S. Jacobson, V. Leskovsek El objetivo del trabajo de investigación fue investigar el efecto del tratamiento criogénico profundo sobre la fractura, dureza, resistencia al desgaste y capacidad de carga del acero de herramienta de trabajo en frío y para determinar la eficacia de tratamiento criogénico profundo dependiendo del tipo de acero de herramienta y composición química. El tipo y la composición química del acero de herramienta afectan considerablemente la forma en que el tratamiento criogénico profundo cambia la capacidad mecánica, la tribología y la carga de la herramienta de acero. El Tungsteno y el Cobalto contenido en el acero para herramientas con el tratamiento se mejora en un 70% sus propiedades, pero son muy limitadas en el caso del acero de alta velocidad. Las propiedades del acero producto del contenido de carbono y vanadio pueden incluso deteriorarse después de un tratamiento criogénico profundo. Se mejora la resistencia al desgaste por abrasión [3] ESTUDIO DE EFECTO DEL TRATAMIENTO CRIOGÉNICO SOBRE PROPIEDADES MECÁNICAS DE UN ACERO RAPIDO (HSS) AISI M7. LAS. Ing. Msc. Diana Yasmin Caserta Cardenas. Este trabajo de investigación presenta los resultados del tratamiento criogénico en unas brocas de centrado de acero rápido HSS que fueron expuestas a varias temperaturas bajo cero y en variables tiempos de exposición. Se realizaron pruebas tribológicas, mecánicas y metalográficas para corroborar os resultados obtenidos. Se encontró que la vida útil de las brocas se alargó, comparando las brocas tratadas con las no tratadas, esto debido a que se aumentó la dureza, se conformaron carburos distribuidos de manera uniforme, por lo tanto, se formó una estructura molecular densa. Esto explica el aumento de la resistencia al desgaste provocado por el tratamiento criogénico en el acero HSS. La duración de la exposición del material al tratamiento criogénico no influyo en el comportamiento de las brocas. [4] INFLUENCIA DE LOS TRATAMIENTOS A TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS IHT Y TRATAMIENTOS CRIOGENICOS Y UN POSTERIOR REVENIDO DE 15,30 Y 45 MINUTOS A LA RESISTENCIA AL DESGASTE ABRASIVO DE UN ACERO AISI/SAE 1045 Ing. Hector rojas, Maria Vacca, Miguel Zabala En esta investigación de la Universidad Libre-sede Bogotá, se determina la influencia de los tratamientos térmicos escalonados-temple-criogenia y revenido en la resistencia al desgaste abrasivo de un acero 1045. Se realiza tratamiento de temple a 12.

(13) temperaturas intercríticas de 740ºC y 770ºC, luego se realizó tratamiento de criogenia a 24 y 48 horas de exposición y luego un revenido a 450ºC con tiempos de 15 y 30 minutos. Se encontró que se aumenta la resistencia al desgaste abrasivo del material porque se forma una estructura ferritica-martensitica en el acero, y a medida que se incrementa la exposición del material a temperaturas criogénicas, se forman microcarburos, lo cual hace que el material sea más duro y, por lo tanto, más resistente. [5] INFLUENCIA DE UN TRATAMIENTO CRIOGENICO EN LAS PROPIEDADES MECANICAS DE UN ACERO PARA HERRAMIENTAS AISI T-2000 Joan Morales, Luis Sidorovas El presente estudio busca determinar la influencia de la criogenia en las propiedades mecánicas de un acero para herramientas T-2000, se realiza una comparación entre unas probetas tratadas criogénicamente a -194ºC durante 24 horas de exposición, y otras probetas sin tratar. A través de los resultados y las imágenes de la fractura obtenidas en microscopio, se pudo constatar que las propiedades mecánicas de las probetas tratadas mejoraron con tratamiento criogénico con respecto a las probetas no tratadas, puesto que la austenita retenida se transformó en martensita, por lo que se mejoró las propiedades del acero T-2000. [6] INFLUENCIA DEL TIEMPO DE REVENIDO EN LA RESISTENCIA AL DESGASTE ABRASIVO DE UN ACERO AISI 1020 TEMPLADO DESDE TEMPERATURAS INTERCRITICAS SEGUIDO DE UN TRATAMIENTO CROGENICO Camilo Guerrero, Fernando Salazar. Se buscó determinar la influencia de los tratamientos de temple-criogenia y revenido en la resistencia al desgaste de una probeta de acero 1020, se trataron las probetas por grupos a 740ºC y 780ºC, expuestas por 1 hora y enfriadas con aceite y con agua. Se sometieron a tratamiento criogénico durante 24 horas y luego se revinieron a 360ºC durante 15,30, 45 y 60 minutos respectivamente. Se determinó que la dureza de las probetas que se templaron con aceite eran menos duras que las templadas en agua, sin embargo, se observa un ligero aumento en la dureza al realizar el tratamiento criogénico. Además, se encuentra que hay un aumento mínimo de la resistencia al desgaste en las probetas templadas en agua, pero no se consideró significativo con respecto al grupo de probeta en estado de entrega. [7]. 13.

(14) EFECTO DE TRATAMIENTO CRIOGENICO EN LA DISTRIBUCIÓN DE ESFUERZOS RESIDUALES EN EL CASO DEL ACERO CARBURADO EN353 A. Bensely, S, Venkatesh, D. Mohan Lal, G, Nagarajan, A Rajadurai, K. Junik Se estudia el efecto del tratamiento criogénico sobre la distribución de esfuerzos residuales en un acero cementado EN353 mediante rayos x. Se realizaron dos tipos de tratamiento criogénico: uno superficial a 193ºK y otro profundo 77ºK. Se determinó que la cantidad de austenita retenida en muestras tratadas se reduce cuando la criogenia se realiza de manera profunda. Se realizo la comparación de los tres tratamientos y se determinó que se aumenta el esfuerzo residual de compresión en el acero que fue sometido a tratamiento criogénico antes del revenido. Además, se encontró que el acero tratado criogénicamente cuando se somete a temple, se reduce el esfuerzo residual de compresión, a causa del aumento de precipitados de carburos finos en la microestructura del material. [8]. 14.

(15) 5. JUSTIFICACIÓN Se pretende estimular con el presente trabajo de grado la necesidad de continuar determinando propiedades de los aceros, especialmente del acero A572, permitiendo contribuir con el desarrollo de la técnica de la criogenización profunda como tratamiento térmico, porque es una tecnología en desarrollo que ofrece muchas posibilidades de desarrollo e innovación en el campo de los materiales, puesto que ha demostrado que se mejoran las propiedades mecánicas en materiales metálicos, por lo que puede convertirse en un tratamiento térmico muy utilizado en la industria. Además, se está expandiendo su uso en todo el mundo como método para preservar muestras orgánicas, por lo que la fabricación de estos equipos es mayor y así mismo, aumenta la necesidad de mejorar sus prestaciones en cuanto a propiedades mecánicas se refiere, para adaptar y mejorar estos equipos, y que así funcione muy bien en condiciones adversas.. 15.

(16) 6. OBJETIVOS 6.1 Objetivo general Establecer la influencia de un tratamiento criogénico y un temple desde una temperatura intercríticas a la resistencia al impacto y la microestructura del acero de alto manganeso A572 6.2 Objetivos específicos • • •. Definir la secuencia de tiempos y temperaturas para realizar el tratamiento realizando los ensayos de impacto Establecer los cambios de la microestructura de un acero A572 luego del tratamiento térmico, temple, criogenia y revenido. Establecer la influencia del tratamiento térmico criogénico en el ensayo de impacto en el acero A572 y su relación con el estado de la microestructura.. 16.

(17) 7. MARCO TEORICO 7.1 ACEROS Son aleaciones de hierro-carbono aptas para ser deformadas en frio y en caliente, en las cuales el porcentaje de carbono no excede de 1,76%, aunque en algunos casos especiales se puede superar dicho limite, como sucede en ciertos aceros con elevado contenido de carbono. Este se obtiene a partir de mineral de hierro y coque fundiéndose en un alto horno o en horno eléctrico. En general, es uno de los materiales más utilizados para construcción, estructuras, piezas mecánicas y piezas especiales de maquinaria, herramientas, etc. por sus prestaciones, e incluso se pueden mejorar sus propiedades agregándoles otros compuestos o realizando tratamientos térmicos, físicos o químicos. Se clasifican generalmente en: • • • • •. Acero al carbono Aceros aleados Aceros estructurales Aceros inoxidables Aceros de herramienta. 7.1.1 COMPONENTES DE LOS ACEROS -DIAGRAMA DE FASE HIERRO-CARBONO En la aleación hierro-carbono hay varios constituyentes estructurales, o clases de cristales, con composiciones y características propias, los cuales aparecen en el diagrama hierro-carbono como transformaciones de fase. En este diagrama se indican los constituyentes que existen a cualquier temperatura, y para cualquier contenido de carbono, cuando la aleación se enfría y calienta con la suficiente lentitud para que aquellos permanezcan en estado de equilibrio. El diagrama no señala el tamaño relativo del grano de los constituyentes presentes, sin embargo, este diagrama y los diagramas de fase en general permiten muchas veces hacer predicciones cualitativas sobre distintos aspectos de la estructura de una aleación. [9] 7.1.1.1 Ferrita La ferrita es una solución solida de hierro-carbono en etapa alfa, cuya cantidad en un acero no supera el 0.8% y con una estructura cubica centrada. Que le entrega al acero propiedades como ductilidad, magneticidad y plasticidad.. 17.

(18) 7.1.1.2 Cementita Es el componente más puro y frágil de los aceros, quien otorga propiedad de dureza y fragilidad a un acero. Es magnética hasta los 210ºC, a partir de los cuales pierde su magnetismo. Cristaliza en una red ortorrómbica.. Figura 1 Diagrama de Hierro-Carbono Metastable. Fuente: Universidad Tecnológica Nacional de Argentina 7.1.1.3 Perlita Es una solución de ferrita + cementita, su nombre se debe a las arrugaciones que adquiere cuando se ilumina, parecida a las perlas. Puede aparecer de estructura laminar si se enfría de manera lenta, si el enfriamiento es brusco aparece de manera borrosa. Es responsable de la propiedad de fragilidad del acero.. 18.

(19) 7.1.1.4 Austenita Es el constituyente más denso de los aceros y está formada por una solución solida de carbono en hierro gamma, la proporción de carbono varía desde el 0.01% hasta el 1.76%. La austenita, en los aceros al carbono, sin ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a 723ºC, y a partir de la temperatura critica superior, la totalidad de la masa de acero está formada por cristales de austenita. Puede obtenerse una estructura austenítica en los aceros a temperatura ambiente enfriando muy rápidamente una probeta de acero desde una temperatura superior a los 723ºC. Pero al no ser estable se transforma en ferrita y perlita. Esta fase es blanda y dúctil. 7.1.1.5 Martensita Después del cementita, este es el constituyente más duro de los aceros, la martensita es una solución solida sobresaturada de carbono en hierro alfa. Se obtiene por enfriamiento muy rápido de los aceros, una vez elevada su temperatura lo suficiente para conseguir su constitución austenítica. La martensita se presenta en forma de agujas y cristaliza en red tetragonal debido a la deformación que produce en su red cristalina la inserción de los átomos de carbono. 7.2 ACERO A-572: Designación ASTM A572 GR50: es un acero al vanadio-niobio de alta resistencia que posee mayor resistencia que el acero al carbón, Dúctil, duro y resistente a la fatiga, posee buenas prestaciones estructurales a un bajo costo. Se produce en grados 42, 50, 60 y 65. El grado representa el limite elástico en ksi. El más común de ellos es el grado 50. Los grados más bajos se utilizan para estructuras atornilladas, remachadas o soldadas, y el grado más alto se utiliza para la construcción de puentes y otras estructuras más complejas. Su uso está más expandido en la construcción de puentes, ya que tiene una resistencia desde 50000 psi Hasta 65000 psi en el límite de fluencia y tiene una resistencia a la tracción de 60000 psi hasta 80000 psi dependiendo del grado. El acero a572 posee la siguiente composición química dependiendo del grado.. 19.

(20) Tabla 1 Composicion química del acero ASTM A-572 Fuente:ASTM International. Tabla 2 Propiedades Mecánicas del Acero A572. Fuente ASTM International La adición de Columbio(Niobio) o Vanadio aumenta considerablemente la resistencia de este material, por lo que lo hace apropiado para construcción de estructuras, también se usa en construcción de bastidores, plataformas petroleras y plataformas marinas. [10]. 7.3 INFLUENCIA DEL MANGANESO EN LOS ACEROS El manganeso (Mn) es uno de los metales de transición que se encuentra prácticamente en todas las aleaciones de aceros, siendo un material bastante reactivo de acuerdo con los diferentes materiales con los que se mezcle, pues puede reaccionar con facilidad y en algunos casos de manera catastrófica. Microestructuralmente, uno de los principales microconstituyentes conformados en el acero ante la presencia del manganeso es la austenita; los efectos que esta tiene generalmente es la reducción en la maquinabilidad del acero y una baja resistencia a la 20.

(21) fluencia, por lo que limita en gran parte su uso en la industria. Un ejemplo es cuando se hacen necesarias piezas de fabricación que tengan una deformación alta; cuando se trabajan aceros en procesos en donde se necesitan deformaciones superficiales como en el martillado, taladrado, laminado en frio, este tipo de aceros endurecen su superficie e internamente se convierten en una estructura con alta tenacidad y le da la posibilidad igualmente de ser un material para trabajar con soldadura. [11] En los aceros que contienen por lo menos de 0.3 a 1.5%Mn, favorece en la desoxidación del acero, previene las inclusiones de sulfuro de hierro y aumenta la capacidad de endurecimiento, la presencia del manganeso incrementa la solubilidad del carbono en la austenita facilitando a formación de carburos débiles, convirtiéndose así en cementita. Grandes cantidades de manganeso (>2% Mn) resultan en una mayor tendencia al agrietamiento y distorsión durante el enfriamiento. La presencia de Mn en los aceros aumenta la cantidad de impurezas como el P, Sn, Sb y As, segregando a los límites del grano e induce a la agilización templada. [12] Cuando se practican tratamientos térmicos, el manganeso disminuye la velocidad crítica de enfriamiento del acero y aumenta la sensibilidad al sobrecalentamiento y contribuye a la fragilidad en el revenido. En los aceros tratados térmicamente, el manganeso incrementa: la resistencia a la tracción, el límite elástico, la resistencia a la fatiga, la fluencia lenta, la forjabilidad, la resistencia al revenido, la fragilidad en el revenido, la tendencia al crecimiento del grano, la formación de carburos y la dilatación térmica. El manganeso disminuye: la embutibilidad, la maquinabilidad, la conductividad térmica y eléctrica y la sensibilidad a la fractura frágil. 7.4 TRATAMIENTOS TÉRMICOS: Son procesos a los que se someten los metales y aleaciones para modificar su estructura, con el propósito de cambiar o adaptar las propiedades mecánicas de un material confiriéndoles características especiales para una aplicación determinada a partir de un conjunto de operaciones de calentamiento, sostenimiento y enfriamiento del metal. Con un tratamiento térmico, los componentes estructurales se transforman de fase, o también se modifica el tamaño de grano del mismo. De esta manera, se obtienen aumentos de dureza, resistencia mecánica, o en cambio, plasticidad, maleabilidad para facilitar procesos de manufactura. Sus Fases son: ➢ Calentamiento: Se calienta el material con ayuda de una mufla, un horno o una llama desde la temperatura ambiente hasta la temperatura deseada. 21.

(22) ➢ Permanencia o sostenimiento de la temperatura: con la temperatura requerida, se establece el tiempo al cual el material estará expuesto de manera constante. ➢ Enfriamiento: El material se retira del horno o la mufla y se realiza la reducción de temperatura, en algunos casos, el material se somete a un medio de enfriamiento ya sea agua, aceita, solución salina u solución química, o en el más simple de los casos solo aire. Los siguientes factores intervienen en el resultado final: • • •. Efecto de masa (espesor o diámetro de las piezas) Duración de ciertas fases del ciclo térmico. Forma de enfriamiento, el medio y el tiempo. [9]. 7.4.1 Criogenia Es un tratamiento térmico en el que un material se somete en alguna fase a temperaturas criogénicas. Un enfriamiento típico puede llegar a marcar hasta 200ºC bajo cero en el termómetro –la temperatura de condensación del nitrógeno-, la pieza se deja a dicha temperatura generalmente durante periodos prolongados de tiempo y se vuelve a calentar gradualmente hasta la temperatura ambiente; normalmente el proceso se complementa con revenidos. El efecto de la baja temperatura sostenida puede llevar al material a sufrir transformaciones en su microestructura debido a cambios de fase que sufre el material en su proceso de transformación. Se sabe que produce transformación de austenita en martensita en los aceros, precipita carburos finos y las tensiones residuales disminuyen, lo cual se traduce en cambios en propiedades mecánicas como la dureza, desgaste, resistencia a fatiga, tenacidad, conductividad. Existen varias teorías acerca de las transformaciones de fase que ocurren en los metales, pero fundamentalmente ocurren dos: la transformación completa o la mayor cantidad posible de austenita retenida a martensita y la otra transformación generada en el material a causa de la precipitación de ETA-carburos que causan el fortalecimiento de la pieza a niveles microscópicos. Se puede afirmar que el tratamiento criogénico es un tratamiento de prolongación al temple en los aceros puesto que se trata de un calentamiento en el que la austenita se transforma en martensita, una fase más dura y resistente del acero. Sin embargo, durante los tratamientos queda austenita sin transformar. En este caso, el tratamiento criogénico permitiría continuar con la transformación y disminuir el porcentaje de austenita retenida, transformándola en martensita.. 22.

(23) El resultado de las investigaciones realizadas acerca de los tratamientos criogénicos se ha podido demostrar que, a temperaturas criogénicas, se produce en los aceros una precipitación de carburos, como estos precipitados se encuentran dispersos en la superficie del material, hacen que la estructura del material sea resistente [13]. Sin embargo, la transformación producida por la criogenia no explica a veces el comportamiento de ciertos materiales. La teoría más acertada acerca del efecto de la criogenia en los materiales es la reducción de tensiones y defectos a nivel cristalino, pero hasta hoy, no se ha llegado a nada concluyente. [14] Los tratamientos criogénicos no son tratamientos superficiales y, por consiguiente, los elementos tratados pueden ser mecanizados o rectificados sin perdida. También, el material tratado criogénicamente puede ser compatible con la mayoría de tratamientos superficiales.. Figura 2 Recipiente de nitrógeno líquido utilizado para tratamientos criogénicos. Fuente: Autores El uso de la tecnología criogénica es limitado, sin embargo, el uso en la ciencia de los materiales tiene un potencial grande, pues con la mejora de propiedades con la criogenización, las industrias beneficiadas serian la de herramientas, automotrices, minería, aeroespacial, etc. En efecto, puede ser de ayuda para obtener piezas mejoradas sin necesidad de llevarlas a un tratamiento térmico convencional [15] 23.

(24) El tratamiento criogénico es un tratamiento superficial, puesto que afecta a todo el volumen del material. Por lo tanto, solo se realiza el tratamiento del material una vez, frecuentemente como complemento del tratamiento de temple y seguido de revenidos. El elemento tratado bajo la criogenia puede ser afilado o modificado cuantas veces se desee sin tener una pérdida significativa en sus propiedades mecánicas. El tratamiento criogénico ofrece ventajas en los materiales que se trata ya que son compatibles con los recubrimientos antidesgaste habituales en la industria. Y también son tratamientos que son amigables con el medio ambiente, de modo que el nitrógeno líquido proviene de la atmosfera terrestre, y su consumo eléctrico es muy mínimo. Los tratamientos criogénicos se aplican a herramientas de corte o manuales a los que se desea prolongar su vida útil reduciendo el desgaste, también se aplica a rodamientos, engranajes, motores, transmisiones. E incluso cables, mejorando su conductividad. 7.4.2 Temple El temple es un tratamiento térmico que, mediante el calentamiento y enfriamiento a una velocidad controlada, varia las características mecánicas (aumentar la dureza y resistencia), físicas (modificar el magnetismo remanente y la resistencia eléctrica) y químicas (mejorar su comportamiento en los procesos de recocido y frente a la acción de ciertos ácidos) del acero. El acero se calienta por encima de la temperatura crítica inferior, unos 721ºC, para que la perlita se disuelva en austenita. La temperatura de austenización debe ser superior a la temperatura de transformación total de la ferrita en austenita y depende de la composición del acero. Esta solución solida de hierro y carbono al enfriarse repentinamente, la estructura cristalina se transforma de forma rápida y el carbono queda incluido dentro de la red deformándola y endureciéndola, se transforma en martensita. Esta microestructura es muy dura, frágil y tiene mayor resistencia a la tracción que el acero perlítico. Cuanto mayor sea el contenido de carbono mayor dureza adquiere. Después del temple siempre se suele hacer un revenido de la pieza porque el acero queda muy inestable y para darle mayor ductilidad y tenacidad. [16] El temple se divide en dos pasos: •. Calentamiento controlado en temperatura (entre 750 ºC y 1.300 ºC dependiendo del material base), rampa de calentamiento y tiempo de mantenimiento a temperatura máxima. Ajustando estos tres puntos de control se puede conseguir las condiciones idóneas previo al temple disolviendo los elementos aleantes de manera correcta y obteniendo una estructura austenítica deseada. 24.

(25) • •. Permanencia: el material se somete a una temperatura constante durante cierto tiempo. Enfriamiento controlado de la zona a templar: Es m u y i m p o r t a n t e c ontrolar el medio de temple (agua, agua + polímero, aceite…), caudal, presión y la tipología de sistema de ducha utilizado. Con un correcto ajuste del medio de enfriamiento se consigue la transición estructural de austenita martensita, mejorando notablemente la dureza de la zona templada.. Materiales de temple Casi todos los aceros destinados al uso industrial se pueden templar, por ejemplo, los aceros para resortes, aceros para trabajo en frío, aceros de temple y revenido, aceros para rodamientos, aceros para trabajo en caliente y aceros de herramientas, así como una gran cantidad de aceros inoxidables de alta aleación y aleaciones de hierro fundido. Propiedades mejoradas: • • • •. Resistencia al desgaste Dureza Limite Elástico Resistencia a la tracción. Propiedades que se reducen: • • •. Alargamiento Menor estricción o reducción del área deformada Resiliencia.. Figura 3. Ciclo termico del temple. Fuente: Universidad de Santiago de Chile. 25.

(26) Estructura de la Matriz El enfriamiento rápido (temple) del acero desde la temperatura de temple hace la estructura cúbica original más rígida. Este estado impuesto con lleva una distorsión tetragonal de la matriz produciendo una celda unitaria centrada en el cuerpo típica. El nombre de este elemento constitutivo microestructural es “martensita “. Este proceso supone un importante refuerzo de la matriz debido a la gran movilidad reducida de las dislocaciones dentro del material. Esto explica la alta dureza y la gran resistencia de la fase Martensitica y también su baja tenacidad y su mala ductilidad. [17] 7.4.3 Revenido Es un tratamiento térmico que consiste en un calentamiento dentro de un amplio intervalo de temperaturas, aproximadamente desde 120ºC a 675ºC. Es un procedimiento complementario del temple. Consiste en calentar el metal a una temperatura baja al punto crítico Ms, seguido de un enfriamiento que puede ser rápido si se quiere tener mayor tenacidad, o lento para reducir tensiones residuales. En el tratamiento del revenido interviene la temperatura del tratamiento, el tiempo, la velocidad de enfriamiento y las dimensiones de la pieza.. Figura 4 Ciclo Térmico del temple-revenido Fuente: Universidad de Santiago de Chile. El revenido sirve para mejorar efectos del temple, disminución de tensiones internas en el material, reducción de dureza y resistencia a la fatiga, así como aumenta de la tenacidad, plasticidad y estricción. El revenido da al acero las propiedades al que se destina. Cuanto mayor sea la dureza del acero templado y sea mayor la cantidad de martensita, las propiedades van a ser mejores, disminuyendo la dureza hasta un valor suficiente y aumentando, en cambio, la tenacidad. [17]. 26.

(27) 7.5 DUREZA Propiedad Mecánica que expresa el grado de deformación permanente que sufre un metal bajo la acción directa de una carga determinada. También se puede definir como aquella propiedad de la capa superficial del material para poder resistir toda deformación plástica, elástica o destrucción debido a la acción de esfuerzos de contacto locales originados por otro cuerpo (llamado indentador o penetrador), más duro, de determinada forma y dimensiones, el cual no sufre deformaciones residuales durante el contacto. Se divide en dos tipos de dureza: Dureza física: es la resistencia que opone un cuerpo a ser rayado por otro más duro Dureza técnica: Es la resistencia que opone un cuerpo a ser penetrado por otro más duro. Los ensayos más importantes por ser los que se utilizan para designar las durezas son los de penetración, en el que se aplica un penetrador (bola, cono o diamante) sobre la superficie del material, con una presión y en un tiempo determinados, a fin de dejar una huella que depende de la dureza del material. Los métodos más utilizados son los de Brinell, Rockwell y Vickers. 7.5.1 Método Rockwell: Este método permite medir la dureza en aceros templados, a diferencia del método Brinell, porque con estos se deforman las bolas de contacto. Este método utiliza un identador de diamante en forma de cono de 120º, con la punta redondeada con un radio de 0.2 mm, con el cual determina la dureza en función de la profundidad de esta huella. El número de la dureza Rockwell (HR) se mide en unidades convencionales y es igual al tamaño de la penetración sobre cargas determinadas. En el ensayo Rockwell, como herramienta indentadora se va a emplear un tipo u otro en función de la dureza del material a ensayar, debiéndose consultar las correspondientes tablas Rockwell para su elección, según el caso. De manera genérica, se tendrá que: • Para materiales duros (HB>200): se empleará como indentador un diamante en forma de cono de 120º de punta redondeada y radio de 0,2 - 0,01 mm. • Para materiales blandos (HB<200): se empleará como indentador una bola de acero templado de 1/8" y 1/16", y también de 1/2" y ¼". [18]. 27.

(28) 7.5.2 Metodo Vickers El ensayo Vickers se recomienda especialmente para determinar la dureza de materiales muy duros, con valores de dureza superiores a 500 HB. Para materiales con una dureza inferior, se recomienda emplear el ensayo de dureza Brinell. En el ensayo Vickers se emplea como elemento indentador una pirámide regular de diamante, de base cuadrada, cuyas caras laterales forman un ángulo de 136º. En la penetración del indentador contra la probeta, éste dejará una impresión cuadrada sobre el material de la probeta, que resulta más fácil de medir (más precisa) en este tipo de ensayo. La carga que se utiliza para presionar el indentador contra la probeta oscila entre 1 y 120 Kp, empleándose principalmente valores de carga de 1, 2, 3, 5, 10, 20, 30, 50, 100 y 120 Kp. No obstante, la carga más empleada es de 30 Kp. Por otro lado, el tiempo de aplicación de la carga durante el ensayo Vickers oscilará entre 10 y 30 segundos, siendo 15 segundos el tiempo más empleado para la duración del ensayo. Una vez realizado el ensayo, se miden las diagonales de la impresión cuadrada que resulta sobre la superficie de la probeta ensayada y se calcula el promedio (media aritmética) de las medidas obtenidas. [18]. Figura 5 Identador de dureza Vickers. Fuente: ingmecanica.com 7.5.3 Microdureza Es un ensayo de medición de la propiedad de dureza de un material por penetración, en la cual se usa una maquina calibrada para aplicar una carga puntual con un penetrador de diamante muy pequeño y con una geometría en forma de pirámide recta de base cuadrada, al que se fuerza sobre una fase de la microestructura del material claramente definida. Con la medida de las diagonales de dicha huella después de quitar la carga, se determina la microdureza de la fase. Para este tipo de ensayos, la carga aplicada vari entre 1 y 1000 grf. Pero se necesita una preparación superficial del material a probar, llegando al pulido metalográfico.. 28.

(29) 7.6 RESISTENCIA AL IMPACTO Es una propiedad de los materiales que permite verificar la resistencia del material para absorber cargas de manera instantánea, tiene que ver implícitamente con la tenacidad o fragilidad de un material, puesto que cuando se realiza un ensayo de choque, se mide el trabajo necesario para inducir a la fractura del material de un solo golpe. Dicho trabajo se conoce como resiliencia del material, que es la energía que necesita un material para deformarse elásticamente por unidad de área. Para probar la resistencia al impacto de un material, se han diseñado muchos procedimientos, sin embargo, los ensayos Izod y Charpy son los más comunes y más estandarizados. El ensayo Charpy se usa más que todo en Materiales metálicos, y el ensayo Izod se prueba con materiales no metálicos. En ambos ensayos, se deja caer un péndulo oscilatorio desde una altura predeterminada hasta el punto más bajo donde se ubica la muestra, esto con el fin de medir la energía requerida para romper la probeta, además, se fabrican probetas con muescas en V, que permite la propagación de grietas en la muestra en el momento del golpe 7.6.1 Ensayo Charpy Este ensayo consiste en dejar caer un martillo acoplado a un péndulo. El martillo se deja caer realizando un movimiento circular, convirtiendo la energía potencial en energía cinética, e impacta sobre una probeta rectangular ubicada en el fondo de la máquina que contiene una muesca en la parte posterior al péndulo y este se parte en dos o se dobla. En dicho péndulo, se mide la altura inicial del péndulo y la altura alcanzada por el mismo después del choque; la diferencia de alturas sirve para encontrar la energía absorbida por la probeta. Este ensayo permite determinar si un material es frágil o muy dúctil, debido a que las probetas se rompen cuando son frágiles y el péndulo alcanza mayor altura. Cuando el material es dúctil, la probeta se dobla absorbiendo las cargas y el péndulo no alcanza una altura significativa.. 29.

(30) Figura 6 Ensayo Charpy Fuente Laboratorio Mecánica U.D. El ensayo de impacto Charpy está normalizado, por la norma ASTM E23 “Standard test methods for notched bar impact testing of metallic materials”. Las propiedades que se obtienen a partir del ensayo de impacto son: Temperatura de transición: Temperatura a la cual un material cambia de un comportamiento dúctil a un comportamiento frágil. Esla energía promedio entre las regiones dúctil y frágil. Esta temperatura puede definirse como la energía promedio entre las regiones dúctil y frágil, a una energía absorbida específica, o al tener ciertas características en la fractura. Sensibilidad a las muescas: Las muescas causadas por un maquinado, fabricación o diseño defectuoso son concentradores de esfuerzos y reducen la tenacidad de os materiales. Esta puede evaluarse comparando las energías absorbidas por probetas con y sin muescas. Relación con el diagrama esfuerzo-deformación: La energía necesaria para romper un material esa relacionada intrínsecamente con el área bajo la curva esfuerzo-real deformación real. Los metales tienen resistencia y ductilidad tienen buena tenacidad. Si un material es frágil tiene menor área bajo la curva, si el material es dúctil tiene mayor área bajo la curva, puesto que este absorbe mayor energía que el material frágil. [19]. 30.

(31) Figura 7 Diferencia entre área bajo la curva de un material frágil (A) y un material dúctil (B) Fuente. Ciencia e Ingenieria de los materiales, D. Askeland. 7.7 ANALISIS METALOGRAFICO Es el estudio microscópico de las características estructurales de un metal o aleación. Es posible determinar el tamaño de grano y la distribución de varias fases e inclusiones que tienen efecto en las propiedades mecánicas del material a estudiar. Este estudio es un procedimiento investigativo que busca relacionar la microestructura y sus fases con las propiedades del material. Este estudio tiene un procedimiento de preparación y examinación determinado, en base a estándares como la norma ASTM E3: ➢ Toma y corte de muestras: La muestra se obtiene del material primitivo a analizar, se debe cortar un trozo de material que permita su manipulación y su colocación en las maquinas utilizadas para el análisis. Se corta con equipos como cortadoras metalográficas, que sirven para cortar el material sin que se caliente y se modifique su estructura. ➢ Encapsulado: El material se encapsula en un material químicamente inerte respecto al material que se analiza, esto para permitir la facilidad en la manipulación y en el montaje del material. ➢ Desbaste: Este proceso se realiza para quitar imperfecciones como picos y rebabas producto de la fabricación o el corte de la muestra, y también para dejar uniforme la superficie a analizar. Se realiza con esmeriles, lijas abrasivas de grano grueso y agua. ➢ Desbaste fino y pulido: Con lijas más finas se van borrando las rayas producidas por el desbaste grueso, y se pule la probeta con paños y alúmina en una pulidora metalográfica para tener una superficie pulida con brillo espejo. ➢ Ataque Químico: Este paso permite revelar la microestructura del metal, el tamaño de grano y las fases presentes en la muestra. El mecanismo de ataque utiliza un reactivo 31.

(32) hecho con ácidos disueltos en alcohol, se expone la superficie brillante de la muestra y este pigmenta la superficie de las fases presentes en el material. ➢ Observación: Las muestras se llevan a un microscopio óptico y se observan a diferentes aumentos. Si el interés es observar la microestructura en forma macro, se puede observar a 50x o 100x, pero si se requieren observaciones con mayor detalle, se pueden usar hasta 20000x en microscopios ópticos y hasta 100000x en microscopios electrónicos de barrido. 7.8 MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO (MEB/SEM) La Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) o SEM (Scanning Electron Microscope), es una técnica de análisis superficial, que consiste en enfocar sobre una muestra un fino haz de electrones, acelerado con energías de excitación desde 0.1 Kv hasta 30 Kv y que permite obtener información morfológica, topográfica y composicional de las muestras produciendo imágenes de alta resolución. El Haz de electrones se produce con un cañón termoiónico, al que se le aplica un potencial electrónico que acelera el haz de electrones hacia una columna, focalizado por medio de lentes electromagnéticas sobre la muestra que se encuentra al vacío. El elemento encargado de hacer incidir el haz de electrones es un fino filamento de tungsteno, quien ilumina la muestra haciendo un barrido y chocan contra la muestra produciendo varias señales que con diferentes detectores se recogen los electrones generados de la interacción de la superficie de la muestra Con un detector, se crea una imagen que refleja las características superficiales de la misma, lo cual proporciona información acerca de la forma, textura y composición química de sus constituyentes. [20]. Figura 8 Interaccion de los electrones con las muestras solidas Fuente: Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid Se utiliza para la observación tridimensional de imágenes de alta resolución, análisis de superficie a altas magnificaciones de materiales orgánicos e inorgánicos suministrando 32.

(33) una amplia información de relieve, textura, tamaño y forma de grano, y composición química (EDS); es una herramienta para caracterización microestructural de materiales metalúrgicos, materiales cerámicos, materiales compuestos, semiconductores, polímeros y minerales, y en ciencias biomédicas y análisis forenses. • •. • •. Su gran profundidad de campo que le da apariencia tridimensional a las imágenes permitiendo enfocar y observar amplias zonas de la muestra al mismo tiempo. Puede producir imágenes de alta resolución (de hasta 3 nm), es decir, que detalles muy cercanos en la muestra pueden ser observados separadamente a alta magnificación. Se pueden observar muestras de tamaños desde centímetros hasta muestras del orden de nanómetros. Es limitado en cuanto que no se puede ver detalles ultraestructurales de las muestras, para ello se requieren un microscopio de transmisión de electrones MET o TEM. [21]. Figura 9 Microscopio Electronico de Barrido Fuente: Laboratorio de microscopia U.N.. 33.

(34) 8. METODOLOGIA El presente estudio se realiza con el método científico experimental, puesto que se realizan ensayos para obtener información. Con ayuda de equipos como espectrómetro, maquina de ensayos Charpy, durómetro, microscopio óptico y el microscopio electrónico de barrido, se obtienen los resultados a analizar del acero A572. El Acero ASTM A572 se escogió para este ensayo puesto que el acero incluye elementos aleantes como el manganeso, niobio y vanadio que pueden provocar una transformación en la microestructura cuando se someten a bajas temperaturas. Se busca determinar la influencia del tratamiento criogénico en la resistencia al impacto y la microestructura del acero A572, para lo cual se desarrollará la siguiente metodología de investigación:. Figura 10 Paso a paso de la metodología de investigación del proyecto. Fuente:Autores. 34.

(35) 8.1 Diseño experimental Para la realización del presente proyecto, se realizaron diferentes pruebas de laboratorio, en la sección de tratamientos térmicos, resistencia de materiales y de metalografía con el fin de evaluar la influencia de los tratamientos térmicos de temple – criogenizado y revenido en la resistencia al impacto y la microestructura del acero. Se realizaron 4 tipos de tratamiento térmico: tratamiento de temple, tratamiento de criogenización a 12 horas y tratamiento de criogenización de 24 horas y revenido. La siguiente tabla muestra los tratamientos térmicos que se realizaron a las probetas y su respectiva cantidad de probetas. Tratamientos Térmicos Sin tratar Templado Templado - Revenido Templado – Criogenia a 12 horas exposición - Revenido Templado – Criogenia a 24 horas exposición - Revenido. Cantidad de probetas 4 4 4 4 4. Tabla 3 Definición de la secuencia de tratamientos térmicos y la cantidad de probetas a ser tratadas. Fuente: Autores El diseño experimental de los tratamientos térmicos se definió así para poder establecer cuantitativamente la variación de la resistencia al impacto del material cuando se somete a temperaturas de criogenia y cualitativamente a través de las micrografías obtenidas en el microscopio. En base a estudios anteriores se estableció la secuencia de tratamientos térmicos, puesto que el tratamiento de criogenia es un tratamiento térmico que sigue al tratamiento de temple como complemento de este proceso, seguido de un tratamiento de revenido [5]. Esta secuencia de tratamientos térmicos en otros materiales ha producido transformaciones de fase de austenita a martensita, precipitados de carburos intergranulares y, por tanto, aumentando la vida útil del material. [22], por lo que para el presente estudio se buscó establecer si hay una variación significativa del ensayo a impacto del material cuando este se somete a tratamientos criogénicos. Luego de haber terminado los tratamientos a las probetas se llevan todas las muestras al laboratorio de resistencia de materiales, para realizar ensayos de resistencia al impacto en la máquina de ensayo de impacto Charpy, se toman los resultados para su posterior análisis. 35.

(36) Posteriormente las probetas ya fracturadas se recogen para realizar proceso de toma de durezas, preparación de probetas, ataque químico y análisis metalográfico para obtener fotografías de la microestructura de las probetas que hayan arrojado mayor dureza superficial de acuerdo con el ensayo de impacto, esto para verificar cambios internos en la microestructura que puedan incidir en el resultado de resistencia al impacto obtenidos bajo el ensayo Charpy. Las imágenes se obtienen a través de un microscopio electrónico de barrido, disponible en la Universidad de los Andes en Bogotá. Los datos recopilados se analizarán y las imágenes se comparan para obtener un resultado que explique la influencia del tratamiento térmico en la resistencia al impacto del acero A572.. Figura 11 Secuencia de tratamientos térmicos diseñados para el presente proyecto Fuente: Autores 8.2 Selección y compra del material El material por estudiar se seleccionó luego de que trabajos anteriores realizados por compañeros de la misma universidad, se decidió continuar con la investigación del comportamiento de los aceros al carbono con alto contenido de manganeso bajo ciertas condiciones de tratamientos térmicos. El acero más próximo a estas condiciones es el acero ASTM A572 Grado 50, un acero de los aceros estructurales más comunes y con buenas prestaciones de tenacidad y 36.

(37) resistencia a la fatiga. Este material en forma de placa fue adquirido a la Compañía General de Aceros S.A. en la ciudad de Bogotá.. Figura 12 Placa de acero A 572 Fuente: Autores 8.3 Espectrometría y determinación de la composición química. Para cerciorarse de que el material adquirido sea el que corresponde según la norma, se realizó un estudio de espectrometría a un segmento de la placa. El estudio se realizó en la Universidad Nacional de Colombia, cuyos resultados se muestran a continuación: Composición química en % del acero ASTM A572 según espectrograma Fe 98.081 Mo 0.013 C 0.167 W 0.012 Mn 1.069 Co 0.006 P 0.006 Ti 0.001 S 0.004 Sn 0.001 Si 0.207 Al 0.028 Cu 0.009 Nb 0.028 Ni 0.016 B 0.002 Cr 0.350 Pb 0.012 V 0.003 Mg 0.000 Tabla 4 Composición Química del Acero A572 Examinado con espectrometría de masas U.N.. 37.

(38) Figura 13 Resultados de espectrometría del material A572 Fuente: Laboratorio de Microscopio U.N. 8.4 Fabricación de probetas de ensayo de impacto Se realizo la fabricación de las probetas de ensayo Charpy en fresadora vertical en un taller metalmecánico conocido por los autores en la ciudad de Bogotá. Se fabricaron en total 20 probetas con la placa adquirida bajo las dimensiones requeridas por la Norma ASTM E 23. [23]. Figura 14 Dimensiones de la probeta para el ensayo Charpy de impacto. Fuente: ASTM International. 38.

(39) Figura 15 Probeta de impacto Charpy mecanizada. Fuente: Autores. Figura 16 Muesca de la probeta vista en el estereoscopio. Fuente: Autores 8.5 Determinación de Temperaturas Intercríticas de temple Para el tratamiento térmico del temple se tiene que calcular las temperaturas intercríticas AC1 y AC3 para calentar el material dentro del rango de austenización parcial del material. Para el cálculo de la temperatura intercríticas inferior AC1, se establecieron las siguientes ecuaciones dadas por Bohórquez [24]:. 39.

(40) Ecuación 1 Cálculo temperatura Intercríticas AC1 para templado.. Ecuación 2 Cálculo Temperaturas Intercríticas AC3 para templado En estas ecuaciones se insertan los valores de la composición porcentual del Acero A 572 obtenidos en la espectroscopia del material (Tabla 4): y se obtienen los siguientes resultados: Ac1 = 725.6714 ºC Ac3 = 817.7309 ºC Como se debió realizar un temple por 16 probetas según la tabla de tratamientos, se realizó una ponderación de las temperaturas intercríticas de templado, por lo que la temperatura de templado fue: Temperatura de templado = 770ºC Con la temperatura calculada, se tratan 16 probetas de las 20 fabricadas, a un tiempo de exposición de 20 minutos, con temple súbito en agua. 8.6 Determinación de temperatura de revenido. Para determinar la temperatura de revenido, se aplicó la ecuación de transformación Martensitica establecida por Andrews [25], y al igual que con la ecuación de temple, se reemplazan los valores de la composición porcentual del material obtenidas con la espectroscopia:. Ecuación 3 Formula dada por Andrews para obtener la temperatura de transformación Martensitica del Acero [25] Realizando la ecuación con los valores correspondientes se obtiene: Ms=428ºC 40.

(41) Con esa temperatura determinada como base para realizar el revenido, se procedió a realizar el tratamiento térmico de revenido con la temperatura de 400ºC. El revenido se realiza a dicha temperatura, se sostiene por un tiempo de 10 minutos y se deja enfriar al aire. Siendo la disposición del esquema de tratamientos térmicos, el experimento queda establecido con las siguientes temperaturas y tiempos. Para las 4 probetas se tratarán con temple el esquema de tratamiento está en la figura 15, las 4 probetas que tendrán temple y revenido su esquema es la figura 16 y para 8 probetas que se someten a templecriogenia y revenido su esquema es la figura 17. Es importante dejar en claro que el tratamiento criogénico profundo tiene una única temperatura de tratamiento que es la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido a -196ºC, y lo que se va a variar en la criogenia es el tiempo de exposición de las probetas.. Figura 17 Esquema de tratamiento térmico de las probetas tratadas a temple Fuente: Autores. 41.

(42) Figura 18 Secuencia de tratamientos térmicos temple-revenido (4 probetas) Fuente: Autores. Figura 19 Secuencia de tratamientos térmicos para las probetas de acero A572 con temple-criogenia y revenido (4 probetas a criogenia de 12 horas y 4 probetas a criogenia de 24 horas) Fuente: Autores. 42.

(43) 8.7 Tratamiento térmico Temple Se trataron un total de 16 probetas de impacto fabricadas con acero a572 de acuerdo con la tabla experimental 4, que fueron amarradas con alambre en un amarre continuo para introducirlas a una mufla de calentamiento; herramienta facilitada por el laboratorio de tratamientos térmicos de la Universidad Distrital-Facultad Tecnológica Se introducen las probetas a la mufla eléctrica Labtech/lef-p type. a una temperatura de 770 ºC durante 20 minutos de sostenimiento.. Figura 20 Mufla de tratamientos Labtech/lef-p type. Fuente. Autores. Después del calentamiento y del sostenimiento de las probetas a la temperatura intercrítica por 20 minutos en la mufla, se procede a retirar y se depositan en un recipiente con agua para realizar el enfriamiento súbito.. Figura 21 Recipiente de agua para el templado con las probetas enfriándose Fuente: Autores. 43.